Пассивные UHF метки для работы на металлических поверхностях

В статье рассматриваются пассивные высокочастотные метки (UHF tags), предназначенные для работы на металлических объектах. В настоящее время подобные метки начинают пользоваться большой популярностью в таких приложениях, как радиочастотная идентификация контейнеров, железнодорожных вагонов, цистерн и автомобилей.

Пассивные радиочастотные метки (теги) в последнее время быстро развиваются и приобретают большую популярность. А благодаря появлению высокочастотных меток появляется возможность получения впечатляющих расстояний считывания (до 8–10 м). Организация EPCglobal создала спецификации EPC Gen1 и EPC Gen2, которые позволяют создавать метки совместимые по всему миру. Многие компании уже начали использовать такие метки — главным образом, в управлении каналами поставок для розничной торговли для идентификации контейнеров и поддонов (Wal-Mart, Metro и др.).

Но тонким местом в этом процессе является идентификация металлических контейнеров, так как расстояние считывания метки при креплении ее на металл значительно уменьшается. Целью нашей статьи будет обзор доступных на российском рынке меток на металл и их сравение.

По имеющимся у автора данным, сейчас на российском рынке доступны 7 меток, специально разработанных для работы на металлических объектах (табл. 1, рис. 1–7).

Были закуплены 7 данных меток и произведены испытания, позволяющие сравнить их характеристики.

Сравнительные тесты

Были проведены качественные испытания меток с использованием двух ридеров: ручной NordicID PL3000 и настольный Samsys.

Дальность считывания определялась в следующих положениях метки относительно считывателя:

• метка расположена в свободном пространстве;
• метка закреплена на металлической поверхности (столбец «М» табл. 3);
• метка на металлической поверхности под углом 45° в вертикальной плоскости (столбец «М, 45» табл. 3);
• метка на металлической поверхности под углом 45° в горизонтальной плоскости (столбец «М, /45» табл. 3);

Результаты проведенного эксперимента отражены в таблицах 2, 3 и на рис. 8–10. На диаграммах дальность определена в процентах относительно максимальной дистанции считывания меток, полученной в данном эксперименте.

Как видно из диаграммы (рис. 10), максимальной дальностью обладает метка PatchTag компании «Аэросолюшенз». Второе и третье места, по дальности считывания делят метки A918 фирмы Caen и TA900-1 компании Альфа-1. Метки Intermec 155 мм и Confidex отстают от лидера по дальности практически вдвое и занимают четвертое и пятое места. И наихудшими параметрами обладают метки Intermec 78 мм иWisteq. Также бросилось в глаза то, что метка PatchTag на металле показала себя лучше чем на воздухе (табл. 2, 3), расстояние считывания на металле возрастало более чем на 20%. Как показало «вскрытие» меток, они отличаются конструкцией антенны. 6 меток используют антенну в виде полуволнового диполя, то есть «усы» антенны смотрят в разные стороны от полупроводникового чипа (Caen, Альфа-1, Intermac, Wisteq, Confidex). Метка же PatchTag имеет антенну, «усы» которой направлены в одну сторону параллельно друг другу. По-видимому, именно эта конструкция и обеспечила метке PachTag самую большую дальность считывания на металле. Чтобы разобраться в преимуществе этой конструкции, была запрошена техническая информация у инженеров «Аэросолюшенз». Как объяснил инженер, именно запатентованная конструкция и сочетание специальных материалов метки PatchTag и позволяет серьезно увеличить дальность считывания метки на металле по сравнению с метками, имеющими традиционную конструкцию.

Физические принципы, лежащие в основе традиционных меток

В основе конструкции большинства радиочастотных меток, в том числе и тех, которые предназначены для крепления на металлические поверхности, лежит полуволновой диполь. На рис. 11 приведены диаграммы направленности элементарного полуволнового диполя в горизонтальной и азимутальной плоскостях.

Из рис. 11 видно, что в плоскости, перпендикулярной плечам излучателя, антенны подобного типа не являются направленными. Коэффициент усиления таких антенн составляет примерно 2,2 дБ.

Физические принципы, лежащие в основе конструкции Patch Tag

В метке Patch Tag используется печатная антенна. Антеннам данного типа свойственна направленность излучения как в горизонтальной, так и в азимутальной плоскостях. Диаграммы направленности антенны метки в соответствующих плоскостях показаны на рис. 12 и 13.

Ширина диаграммы направленности (по уровню 3 дБ) в горизонтальной и вертикальной плоскостях составляет соответственно 70° и 130°. Таким образом, за счет большей концентрации излучения в определенном направлении коэффициент усиления антенны метки Patch Tag превышает коэффициент усиления антенн, выполненных конструктивно в виде диполя, и составляет в точке максимума 6,5 дБ. Согласование антенны с входным импедансом интегральной схемы ASIC Philips Ucode 1.19 показано на рис. 14. Значение коэффициента отражения в заданном диапазоне частот (865–870 МГц) не превышает –32 дБ.

Выводы

Из всех меток, участвовавших в тестировании, метка PatchTag компании «Аэросолюшенз» оказалась лидером по дальности считывания. Как указано на сайте производителя, «пассивная RFID-метка PatchTag предназначена для крепления как на диэлектрические (пластик, стекло и т. д.), так и на металлические поверхности маркируемых объектов. Ключевая отличительная особенность этой метки — оригинальная конструкция антенны с коэффициентом усиления 6,5 дБ. Данная метка специально оптимизирована для установки на металлические поверхности и отличается от аналогов тем, что основные ее показатели (дальность и стабильность регистрации, а также скорость, на которой осуществляется регистрация) при закреплении на металлической поверхности не ухудшаются, а улучшаются. Высокая стабильность основных показателей метки при различной угловой ориентации ее относительно антенны считывателя существенно расширяют спектр возможных применений. Подобную метку можно будет с успехом использовать в самых неблагоприятных условиях, в том числе для динамической идентификации паллет, контейнеров и автомобилей».

Метки фирм Caen, Intermec, Альфа-1 также показали неплохую дальность считывания и могут с успехом применяться для идентификации металлических объектов.

А вот метки фирм Wisteq и Confidex имеют очень малую дальность работы на металле и, с нашей точки зрения, не смогут применяться в приложениях, требующих больших расстояний считывания.